DE19937322A1

DE19937322A1 - Polymerkeramische Werkstoffe mit metallähnlichem Wärmeausdehnungsverhalten

Info

Publication number: DE19937322A1
Application number: DE19937322A
Authority: DE
Inventors: Peter Greil; Andreas Basteck; Steffen Walter
Original assignee: Dr-Ing K Busch Druck and Vakuum GmbH; K Busch Druck & Vakuum Dr GmbH
Current assignee: Rauschert 54578 Oberbettingen De GmbH
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: WO2001010791A1; US6783866B1; EP1202942A1; DE19937322C2

Abstract

Die Erfindung betrifft polymerkeramische Verbundwerkstoffe mit einer annähernden Nullschwindung im Urformverfahren und mit einem vergleichbaren thermischen Ausdehnungsverhalten (vorzugsweise in einem Anwendungsbereich von 400 C oder darunter) wie metallische Konstruktionswerkstoffe, insbesondere Grauguss oder Stahl; entsprechende Formteile; Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung dieser Werkstoffe und Formteile; und/oder Baugruppen wie Maschinen, Anlagen oder Geräte, die diese Werkstoffe oder Formteile umfassen. Die polymerkeramischen Verbundwerkstoffe können beispielsweise anstelle von Stahl oder Grauguss als temperaturbeständige Formteile vorwiegend im Maschinenbau ohne Nachbearbeitung nach dem Urformverfahren eingesetzt werden.

Description

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung betrifft polymerkeramische Verbundwerkstoffe mit einer annähernden Nullschwindung im Urformverfahren und mit einem vergleichbaren thermischen Ausdehnungsverhalten (vorzugsweise in einem Anwendungsbereich von 400°C oder darunter) wie metallische Konstruktionswerkstoffe, insbesondere Grauguss oder Stahl; entsprechende Formteile; Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung dieser Werkstoffe und Formteile; und/oder Baugruppen wie Maschinen, Anlagen oder Geräte, die diese Werkstoffe oder Formteile umfassen. Die polymerkeramischen Verbundwerkstoffe können beispielsweise anstelle von Stahl oder Grauguß als temperaturbeständige Formteile vorwiegend im Maschinenbau ohne Nachbearbeitung nach dem Urformverfahren eingesetzt werden.

Hintergrund der Erfindung

Keramische Werkstoffe finden aufgrund ihrer hohen Verschleißfestig keit und guter Temperaturbeständigkeit sowie Korrosionsfestigkeit zunehmend Anwendung als Konstruktionsmaterial für thermisch und mechanisch beanspruchte Funktionselemente in Maschinen, Apparaten und Geräten. Die hierfür an die geometrische Präzision der Funk tionselemente zu stellenden Anforderungen können jedoch von keramischen Materialien nur durch aufwendige Nachbearbeitung bzw. durch einen aufwendigen Formfindungsprozess (iterativer Prozess) erfüllt werden, die eine kostengünstige Fertigung insbesondere von kompliziert geformten oder in hoher Präzision herzustellenden Bauteilen erschweren. Weiterhin kann die mechanische Nach bearbeitung beispielsweise eine Verletzung von ansonsten ge schlossenen Oberflächen bewirken und so zu verringerter Stabilität führen. Darüber hinaus führt die Differenz der Wärmedehnung zwischen Keramik (Siliciumnitrid und Siliciumcarbid z. B. 3-4,5 × 10^-6 K^-1, Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid ca. 8-9 × 10^-6 K^-1, und Grauguss (9-10 × 10^-6 K^-1) oder Stahl (10-13 × 10^-6 K^-1) (Temperaturbereich Raumtemperatur bis ca. 500°C) bei Temperaturbeanspruchung zu unterschiedlichen Dehnungen zwischen Metall und Keramik, die im Verband von Keramik und metallischen Teilen mechanische Überbelastung des Keramikteiles sowie Eigenspannungen an Füge- und Verbin dungsflächen sowie Spalterhöhungen an Dichtflächen bewirken und so die Funktionsfähigkeit beispielsweise der betreffenden Maschine oder Anlage einschränken.

Kunststofferzeugnisse haben zwar den Vorteil der kostengünstigen Herstellung, jedoch weisen diese Teile eine geringe Massgenauigkeit, und eine niedrige Dauergebrauchstemperaturbeständigkeit von unter 150°C, selten bis zu unter 200°C, auf.

Eine höhere Temperaturbeständigkeit bieten sog. Polymerkeramiken, bei deren Herstellung sich ein Polymer teilweise oder vollständig durch Pyrolyse zersetzt und so ganz oder teilweise in einen anorga nischen Verbundwerkstoff umwandelt, der aber je nach Tempera turbehandlung noch organische Bestandteile enthält. Zusätzlich kann die Polymerkeramik Füllstoffe, wie z. B. keramische Pulver, enthalten.

Die Umsetzung von keramischen Füllstoffen, die auf ihrer Oberfläche reaktive Gruppen wie z. B. OH-Gruppen aufweisen, mit vernetzungs fähigen funktionellen Gruppen in einer polymeren Matrix (Isocyanate, Silikonate und deren Salze und Ester) zwischen 100°C und 180°C wurde in DE 41 20 835 beschrieben. Rieselfähige Massen wurden zur Preßformgebung von Polymerkeramiken eingesetzt. In Erweiterung des Prinzips der Aushärtung durch Ober flächenkondensationsreaktionen wird in DE 44 28 465 die Herstellung von Polymerkeramik aus einer siliciumorganischen Matrix zwischen 200 und 800°C dargestellt. Die Ausbildung primärer chemischer Bindungen zwischen Keramikfüller und Polymer wird darin als Voraussetzung für die Ausbildung eines form- und temperatur stabilen Netzwerks beim Aufheizprozeß angesehen, das relativ geringe Volumenänderungen mit weniger als 1%-iger linearer Schwindung erreichen läßt. Die Formgebung derartiger Polysiloxan/Füller-Massen mit oberflächenaktiven Gruppen auf dem Keramikpulver wird durch Pressen sowie, wie in DE 195 23 655 ausgeführt, alternativ auch durch Gießen; Spritzgießen und Extrudieren ermöglicht. Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit können Faserfüllstoffe, die auf ihrer Oberfläche beispielsweise Aminogruppen aufweisen, zusätzlich eingelagert werden (DE 196 45 634).

Es gibt eine Fülle von Verwendungen, beispielsweise im Automobilbau (Verbindungsteile, Gehäuse oder Bremsenteile, die mit einer höheren Umgebungstemperatur in Kontakt kommen, Auspuffkrümmer oder Bestandteile davon), im Werkzeugmaschinenbau, in der Robotertechnik (beispielsweise für Führ- und Gleitelemente), im Bereich der Metallurgie oder auch im Bereich der Druck- und Vakuumpumpentechnik, oder anderen Bereichen. Besonders wichtig ist hierbei auch, eine Minimierung der Kosten zu erzielen und zur Verringerung der Korrosionsgefahr und/oder im Interesse einer Leichtbauweise Ersatzstoffe für Metalle, insbesondere Grauguss und Stahl, zu verwen den.

Insbesondere fehlen Materialien, die insbesondere bei höheren Temperaturen eine thermische Ausdehnung (Wärmeausdehnung, thermischer Ausdehnungskoeffizient = TAK) vergleichbar, insbesondere gleich, der von Stahl oder Grauguss aufweisen, und außerdem hohen Tempe raturen in den gerade genannten Temperaturbereichen standhalten können, auch bei längerer Einwirkung. Die Anfertigung sollte im Urformverfahren durch Pressformung oder insbesondere durch Gießen, Spritzgießen oder Extrudieren erfolgen können.

Ein wichtiges Ziel ist, die Herstellung von (insbesondere größe ren) Formteilen mit hoher Maßhaltigkeit im Urformverfahren ohne Nachbearbeitung zu ermöglichen und so die Risiken für Bauteile, die aus ihrer Sprödigkeit, eventuellen Materialschäden durch abtragende Formgebung und andere Nachbehandlungsmethoden, die zur Anpassung an benötigte Formen und Dimensionen mit hoher Maßhaltig keit erforderlich sind, insbesondere bei Polymerkeramikbauteilen, zu reduzieren bzw. zu beseitigen. Dafür ist die Formgebung anschließende Pyrolyse bei einer Temperatur, die praktisch Nullschwindung im Urformverfahren ermöglicht, eine Voraussetzung.

Es besteht insbesondere ein dringender Bedarf, kostengünstig mit hoher Maßgenauigkeit Formteile, insbesondere größere Formteile, fertigen zu können, die eine Wärmedehnung im Bereich der hauptsäch lich verwendeten metallischen Konstruktionswerkstoffe, insbesondere von Stahl oder Grauguss, sowie ausreichende Festigkeit, Temperatur beständigkeit vor allem bei erhöhten Temperaturen und Korrosions beständigkeit aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Polymerkeramikwerkstoffe zur Verfügung zu stellen, deren Wärmedehnung beim fertigen Erzeugnis gegenüber bekannten Polymerkeramikwerkstoffen an die Wärmedehnung von Stahl und Grauguß angeglichen ist und zugleich bei der Fertigung im Urformverfahren eine hohe Maßhaltigkeit zu erreichen, so daß insbesondere Formteile mit komplizierter Geometrie oder von größeren Dimensionen, z. B. mit einem Mindest-Außendurchmesser von mehr als 20 mm, vorzugsweise von mehr als 50 mm, hergestellt werden können. Diese und die anderen genannten Aufgaben werden in überraschender Weise durch die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Polymerkeramiken und Polymerkeramikformteile gelöst. Im Stand der Technik finden sich keinerlei Hinweise auf die Lösung dieser Aufgabe, und weder die Lösung der Aufgabe noch die Aufgabe selbst werden dort in Erwägung gezogen.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Einige, mehrere oder insbesondere alle der vorstehend genannten Aufgaben werden durch einen (i) ein präkeramisches Polymer (Ke ramikbinder, nachfolgend als Polymer bezeichnet oder genauer definiert, wobei dieser Begriff auch Gemische von Polymeren beinhalten kann), (ii) dessen pyrolysebedingte Abbauprodukte und (iii) erforderlichenfalls Füllstoffe (Keramikpulver, keramischer Füllstoff) umfassenden Polymerkeramik- oder auch synonym Polymer keramikverbundstoff erfüllt, insbesondere einen polymerkeramischen Werkstoff, der gekennzeichnet ist durch einen Wärmeaus dehnungskoeffizienten, der demjenigen von einem Metall (dieser Begriff umfasst in breiteren Sinne auch Legierungen), insbesondere von Stahl oder Grauguss, vergleichbar, insbesondere gleich, ist und vorzugsweise erhältlich ist durch eine Wärmebehandlung unter theoretisch oder vorzugsweise empirisch ermittelten Bedingungen (bezüglich Dauer und vor allem Temperatur und Temperaturverlauf), welche es ermöglicht, dass das Material oder ein daraus hergestellter Formkörper nach der abschließenden Wärmebehandlung innerhalb einer Toleranz von weniger als 0,1%, vorzugsweise von weniger als 0,05%, dieselben linearen Dimensionen hat wie die Urform (Nullschwindung im Urformverfahren).

Die Erfindung betrifft auch ein Formteil, der aus einem solchen Material besteht.

Die erfindungsgemäßen Formteile oder Materialien wie auch Verfahren ermöglichen insbesondere, dass im Urformverfahren direkt die erforderliche Massgenauigkeit (im wesentlichen Nullschwindung gegenüber der Form) erzielt werden kann (durch entsprechende Wärmebehandlung und/oder Zusammensetzung des Polymerkeramikwerk stoffs). Dies ermöglicht enorme Kostenreduktionen um den Faktor 2 oder mehr, da kein Erfordernis zur Nachbearbeitung besteht. Die damit verbundene Anpassung des Wärmeausdehnungsverhaltens an dasjenige von Metallen, insbesondere von Stahl oder Grauguss, ermöglicht dabei die Anwendung z. B. in den eingangs erwähnten Gebieten. Somit wird in überraschender Weise den dringenden praktischen Bedürfnissen Rechnung getragen. Insbesondere weisen die erfindungsgemässen polymerkeramischen Werkstoffe auch den Vorteil einer gewissen Restelastizität auf, die beispielsweise von außen induzierte Oberflächenspannungen abfedern und reduzieren kann oder Verluste durch Reibung im Verbund mit anderen Teilen vermindern helfen kann.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt die Dimensionsänderungen bei Teilpyrolyse polymerkera mischer Massen. (1) = Wärmedehnung, (2) = Pyrolyseschwindung, (3) = Polymer, (4) = Keramik.

Fig. 2 zeigt exemplarisch den Ausdehnungskoeffizienten von Polymethylsiloxan in Abhängigkeit von der Pyrolysetemperatur in Argon.

Fig. 3 zeigt zur Illustration der unten beschriebenen Verfahren eine dreidimensionale Matrix, anhand derer z. B. empirisch das Optimierungsproblem, gleichzeitig Nullschwindung und eine Metallen vergleichbare Wärmedehnung zu erhalten, gelöst werden kann.

Fig. 4 zeigt die Ausdehnung und anschließende Schwindung eines in Ausführungsbeispiel 2 näher beschriebenen) Polymerkeramikmaterials bei verschiedenen Pyrolysetemperaturen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vor- und nachstehend genannten allgemeinen Begriffe haben im Rahmen der vorliegenden Offenbarung folgende Bedeutungen, sofern nichts anderes angegeben ist:

"Umfassend" bedeutet, dass neben den genannten Komponenten noch weitere Komponenten oder Zusätze vorliegen können, vorzugsweise im Bereich von 10 oder weniger, insbesondere von 7 oder weniger Volumenprozent (Vol-%).

Der Begriff "Wärmebehandlung" wird nachfolgend auch durch den Begriff "Pyrolyse" ersetzt, wobei insbesondere partielle Pyrolyse eingeschlossen, vorzugsweise gemeint, ist. Die Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise in kontrollierter Weise, beispielsweise durch relativ lange Aufheizraten und relativ lange Abkühlungsraten, beispielsweise Abkühlungsraten im Bereich von 0,2 bis 10°C/min. um so das Auftreten von Spannungen in den resultierenden Materialien oder Formteilen zu verhindern. Vorzugsweise erfolgt die Wärmebe handlung unter Luft- und Sauerstoffausschluss, insbesondere unter Inertgas, wie Argon.

"Theoretisch oder empirisch ermittelt" im Zusammenhang mit der Wärmebehandlung bezieht sich auf Literaturansätze oder insbesondere auf Varianten der Mischungsregel mit empirischen Messungen, beispielsweise Dilatometrie (Dehnungsabhängigkeit von Temperatur und Ausdehnungskoeffizient und vergleichbare Größen) sowie der Schwindung. Bevorzugte Methoden zur theoretischen oder empirischen Ermittlung der Parameter für die Wärmebehandlung, insbesondere der maximalen Pyrolysetemperatur, aber ferner auch der Haltezeit (welche insbesondere im Bereich unterhalb von 400°C variabel sein kann, oberhalb dieser Temperatur dagegen relativ konstant verwendet werden kann) und/oder der Aufwärmungs- und Abkühlungsrate, werden unten genannt.

Nachfolgende Angaben in (Gewichts- oder) Volumenprozent beziehen sich immer auf die Edukte (vor der Wärmebehandlung, die in der Regel zum teilweisen Abbau des verwendeten Polymeren führt).

Unter einem metallischen, insbesondere Grauguss oder Stahl, vergleichbaren oder insbesondere gleichen thermischen Ausdehnungsverhalten (oder Wärmeausdehnungsverhalten) versteht man insbesondere einen entsprechenden thermischen Ausdehnungs koeffizienten, d. h. die entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten (thermische Ausdehnungskoeffizienten, TAK), liegen vorzugsweise im Bereich von 9 bis 13 × 10^-6 K^-1. Dieses thermische Ausdehnungs verhalten findet sich erfindungsgemäß vorzugsweise im Bereich von -50 bis 500°C, insbesondere von Raumtemperatur bis 400°C.

Der Parameter "einem Metall (oder einem metallischen Konstruktions werkstoff) vergleichbarer oder insbesondere gleicher thermischer Ausdehnungskoeffizient" (oder entsprechendes thermisches Ausdehnungs verhalten oder Wärme(ausdehnungs)verhalten) ermöglicht auch die stoffliche Unterscheidung von anderen polymerkeramischen Werkstoffen und Formteilen, da dieses Ergebnis eine entsprechende Struktur und Zusammensetzung voraussetzt. Mit "vergleichbar" ist insbesondere gemeint, das die Wärmeausdehnungskoeffizienten des entsprechenden Formteils oder Polymerkeramikwerkstoffes, um bis zu einschließlich 20%, insbesondere 10%, vorzugsweise bis zu einschließlich 3%, unterhalb des unteren oder oberhalb des oberen Wärmeausdehnungs koeffizienten des entsprechenden Metalls, wie insbesondere Stahl oder Grauguss, liegen. Bei einem "gleichen" Wärmeausdehnungsko effizienten weicht dieser von demjenigen des entsprechenden Metalls um 1 Prozent oder weniger, insbesondere um 0,1% oder weniger, ab.

Auch, wenn dies nicht speziell angegeben ist, sind bei Angabe von Bereichen, wie %- oder Temperaturbereichen oder ähnlichem, immer die oberen und unteren genannten Grenzwerte mit einbezogen.

Unter einem präkeramischen Polymer ist insbesondere ein Polymeres zu verstehen, bei dessen vollständiger Pyrolyse nicht eine praktisch vollständige Umwandlung in Kohlenstoff erfolgt (wie die beispielsweise bei Polyestern, Polyethern oder Epoxiden der Fall wäre). Bevorzugte Beispiele sind unten genannt, ohne die Palette möglicher Polymerer einschränken zu sollen.

Sofern vor- und nachstehend von einem Polymeren die Rede ist, ist, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich, stets ein präkeramisches Polymer gemeint.

"Nullschwindung" bedeutet insbesondere eine lineare Schwindung von 0,1% oder weniger, vor allem von 0,05% oder weniger.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der eingangs erwähnten polymerkeramischen Materialien und Formteile ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass über den durch die Wärmebehandlungstemperatur bestimmten Umwandlungsgrad der Polymer- in die Polymerkeramik- Bindephase und in Verbindung mit dem Einbau von Keramikfüllstoffen mit darauf abgestimmter Wärmedehnung Formteile hergestellt werden, die in ihrem Wärmeausdehnungsverhalten weitgehend dem von Metallen, insbesondere Stahl oder Grauguß, vergleichbar oder gleich sind. angeglichen werden können, d. h. die entsprechenden Wärmeausdehnungs koeffizienten (thermische Ausdehnungskoeffizienten, TAK), liegen vorzugsweise im Bereich von 9 bis 13 × 10^-6 K^-1. Die Formteile eignen sich deshalb besonders für den Einsatz in Kombination mit me tallischen Komponenten (beispielsweise, wenn die Polymerkeramik- Teile in Kontakt zu Metall-, insbesondere Grauguss- oder Stahlteilen stehen, sei es durch Stoffschluss (z. B. durch Verkleben) oder insbesondere Formschluss (z. B. durch Einbringen von Formteilen im Urformprozess oder während oder nach der Wärmebehandlung) oder Kraftschluss (z. B. durch Umhüllung unter Pressspannung oder dergleichen), in temperaturbeanspruchten Baugruppen wie z. B. in Bremsen, Motoren oder anderen Maschinen, Geräten oder Anlagen.

Die vorzugsweise aus einem Polymer, insbesondere einem vernetzten siliciumorganischen Polymer, und erforderlichenfalls einem oder mehreren keramischen Füllstoffen und gewünschtenfalls weiteren Zusätzen zusammengesetzte Ausgangsmasse wird insbesondere nach der Formgebung und Vernetzung, beispielsweise bei Temperaturen zwischen 0 und 200°C, insbesondere zwischen 100 und 200°C, einer kon trollierten Wärmebehandlung im Temperaturbereich zwischen 200 und 800°C, vorzugsweise 400 und 750°C, insbesondere zwischen 500 und 750°C, vor allem im Temperaturbereich zwischen 500 und 680°C unter zogen, wobei aus dem Polymeren, insbesondere einem Polysiloxanharz, eine amorphe polymerkeramische Binderphase zwischen den Füllstoff teilchen erzeugt wird. Entscheidend ist hierbei, daß die thermische Ausdehnung der Ausgangsmasse durch eine Teilpyrolyse des Polymer anteils genau soweit kompensiert wird, daß nach dem Abkühlen und der thermischen Kontraktion die Ausgangsmaße des Urformteils erhalten bleiben. Die Dimensionsstabilität kann durch einfache Kontrolle der Wärmebehandlungstemperatur in engen Grenzen (0,1% linear oder darunter) gewährleistet werden, wobei unter konstanten Fertigungs bedingungen insbesondere Fertigungstoleranzen von kleiner oder gleich 0,05% erreicht werden. Fig. 1 zeigt die bei der Wärmebehandlung auftretenden Dimensionsänderungen. Insbesondere können so unter Verwendung von in der Keramik üblichen Urformgebungsverfahren wie z. B. Pressen, Gießen, Spritzgießen oder Extrudieren Formteile erzeugt werden.

Ein bevorzugtes Beispiel für geeignete Polymere sind silicium organische Polymere, insbesondere leicht zu verarbeitende Polysiloxanharze, aber auch Polysilan, Polycarbosilan, Polysilazan, Polyborosilazan oder Mischungen daraus können eingesetzt werden.

Wo vor- und nachstehend von Polymer, hochvernetztem silicium organischem Polymer oder dergleichen die Rede ist, können auch Gemische mehrerer dieser Komponenten vorliegen. Diese ergeben dann zusammengenommen die als bevorzugt genannten Volumenprozent-Anteile.

Durch Einbau keramischer Füllstoffe in Volumengehalten von 10 bis 80 Volumen-%, vorzugsweise zur Herstellung von im Press-, Gieß-, Spritzgieß- oder ferner Extrusionsverfahren gewinnbaren Formteilen oder Gegenständen von ca. 20 bis 80 Volumen-%, insbesondere von 30 bis 80 Volumen-%, vorzugsweise von 30 bis 70%, in erster Linie von 30 bis 60 Volumen-%, vor allem zwischen 30 und 50 Volumen-%, die eine an die Wärmedehnung der Polymerkeramik-Binderphase angepaßte Wärmedehnung aufweisen, gelingt es, Formteile herzustellen, deren Wärmeausdehnungsverhalten zwischen Raumtemperatur und 500°C weitgehend dem von Stahl (10-13 × 10^-6 K^-1) oder Grauguß (9-11 × 10^-6 K^-1) vergleichbar, insbesondere diesem gleich, ist. Hierbei wird beispielsweise zuerst die Pyrolysetemperatur mit Null schwindung für ein gegebenes Polymer ermittelt. Dann wird der thermische Ausdehnungskoeffizient ermittelt, und schließlich erforderlichenfalls durch geeignete Füllstoffe ausgeglichen. Der Einbau keramischer Füllstoffe (= Keramikfüllstoffe) ermöglicht dann das gleichzeitige Erreichen von Maßhaltigkeit und einer weiter angepaßten Wärmedehnung. Auch das umgekehrte Vorgehen (erst Ermittlung von Zusammensetzung und Pyrolysetemperatur, dann, erforderlichenfalls iterative, Variation dieser Parameter bis zum Erzielen einer Nullschwindung, ist möglich. Unten finden sich bevorzugte Verfahren. Fig. 3 veranschaulicht, wie mittels einer dreideimensionalen Matrix dieses Optimierungsproblem gelöst wird.

Bevorzugte keramische Füllstoffe sind in Tabelle 1 aufgeführt, jedoch können auch andere, nichtreagierende Keramikverbindungen mit ansprechend hoher Wärmedehnung eingesetzt werden.

Tabelle 1

Auch Silikate, wie Natrium-, Magnesium, Calcium- oder Lithiumalumini um-Silikate, oder Calciumfluorid können als Füllstoffe eingesetzt werden, insbesondere, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient der Polymerkeramik nach einer bestimmten Pyrolysetemperatur höher ist als derjenige des entsprechenden Metalls, vor allem Stahl oder Grauguss.

Wo vor- und nachstehend von einem keramischen Füllmaterial, keramischen Füller, Keramikfüllstoff, Füllstoff oder dergleichen (alles mit derselben Bedeutung) die Rede ist, können auch Gemische mehrerer dieser Komponenten vorliegen. Diese ergeben dann zusammen genommen die als bevorzugt genannten Volumenprozent-Anteile.

Neben dem Polymeren und dem Füllstoff können noch weitere Zusätze vorliegen, vorzugsweise im Bereich von unter 10 Vol-%, insbesondere unter 7 Vol-%, die in der Lage sein können, die Festigkeit zu steigern, beispielsweise Glasfritten, oder insbesondere wachsartige Substanzen, wie Wachs, und/oder Katalysatoren, wie Aluminiumacetyla cetonat.

Bevorzugt sind erfindungsgemäße Materialien oder Formteile, worin die Polymeren und/oder die Zusätze bei der Pyrolyse keine chemischen (insbesondere keine kovalenten) Bindungen zu den Füllstoffen aufbauen.

Das bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich hierin auch grundsätzlich vom Polymerpyrolyseverfahren mit reaktiven Füllstoffen, die entweder bei Temperaturen über 800°C vollständig (DE-PS 39 26 077), oder bei niedrigeren Temperaturen über reaktive Gruppen an der Oberfläche (DE 44 28 465) mit der Polymerphase unter Bildung primärer chemischer Bindungen reagieren. Die keramischen Füllstoffe können teilweise oder vollständig durch einen sogenannten Eigenfüllstoff ersetzt werden, der durch Wärmebehandlung des präkeramischen Polymers und anschließende Aufarbeitung zu einem Pulver hergestellt werden kann. Der Eigenfüller bietet den Vorteil, die Wärmedehnung durch die Pyrolysetemperatur gezielt einstellen zu können.

Bevorzugt sind insbesondere erfindungsgemäße Materialien oder Formteile, die ohne Zusatz von Floatglas-Fritten hergestellt werden können. Bevorzugt sind auch erfindungsgemäße Materialien oder Formteile, worin die Polymerkomponente keine Phenylmethylsiloxanharze umfasst. Bevorzugt sind auch erfindungsgemäße Materialien oder Formteile, worin die Polymerkomponente keine Siloxane mit ungesättigten Gruppen umfasst. Bevorzugt sind auch erfindungsgemäße Materialien oder Formteile, worin die Polymerkomponente keine Polyester, Epoxide oder Poylether umfasst. Bevorzugt sind auch erfin dungsgemäße Materialien oder Formteile, bei deren Herstellung keine Lösungsmittel verwendet werden, außer im Falle der Verwendung von Gieß-, Spritzgieß und Extrusionsverfahren, wo dies möglich ist. Vorzugsweise ist Kaolin als Füllmaterial ausgeschlossen.

In Abhängigkeit der Fließeigenschaften der eingesetzten Polymer komponente (fest oder flüssig bei Raumtemperatur) sowie des Füllergehaltes (= Keramikfüllstoffgehaltes) erfolgt die Formgebung der Polymer/Füller-Massen unter Verwendung von in der Keramik übli chen Formgebungsverfahren, wie z. B. Pressen, Gießen oder Spritzgießen in geschlossene Formwerkzeuge oder Extrudieren. Anschließend wird unter Druck bei bevorzugten Temperaturen von 0 bis 200°C, insbe sondere zwischen 100 bis 200°C, die Vernetzung der Polymerbinderpha se, vorzugsweise unter Inertgas, durchgeführt. Nach der Entformung weist das Formteil eine hohe Grünfestigkeit auf und kann gewünsch tenfalls spanabhebend bearbeitet werden.

Die für polymerkeramische Werkstoffe typische Porosität, die insbesondere im Temperaturbereich von 200°C bis 800°C durch Zersetzung der Polymerphase und Abfuhr gasförmiger organischer Spaltprodukte ihr Maximum erreicht, bleibt zwar im Inneren des Form teils erhalten, kann jedoch an der Formteil-Oberfläche weitgehend in eine geschlossene Porenstruktur umgewandelt bzw. abgebaut werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist der Einsatz kohlenstoffhaltiger Trenn- bzw. Entformungsbeschichtungen auf den Formenoberflächen, die nach der Entformung und Wärmebehandlung auf der Formteiloberfläche verbleiben und zu einer Versiegelung führen. Dies ermöglicht beispielsweise auch den Einsatz der Formteile für Anwendungen, bei denen Druck oder Vakuum erzeugt werden (Pumpen).

Der erfindungsgemäße Polymerkeramik-Verbundwerkstoff eignet sich besonders für maßgenaue Fertigungsverfahren und Formteile mit engen Toleranzen sowie eine dem metallischen Trägerwerkstoff (insbesondere Stahl oder Grauguß) vergleichbare Wärmedehnung, die für Anwendungen als temperaturbeanspruchte Funktionselemente in verschiedensten Baugruppen wie Maschinen, Motoren oder Anlagen von besonderer Bedeutung sind.

Nachfolgend werden im Detail zwei Alternativen für den Weg der theoretischen oder empirischen Ermittlung beschrieben, wie die geeigneten Hauptparameter (Pyrolysetemperatur und Zusammensetzung, um geringe Schwindung von 0,1% oder darunter, vorzugsweise 0,05 % oder darunter, und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten vergleichbar oder vorzugsweise gleich dem von Grauguss oder Stahl zu erhalten) für die erfindungsgemäßen Polymerkeramik-Materialien und -Formteile gezielt ermittelt werden können, um zu erfin dungsgemäßen Polymerkeramikwerkstoffen zu gelangen (vgl. auch Fig. 3):

Alternative (I) (bevorzugt) Schritt (A)

Zuerst wird für ein aus einem Polymeren hergestelltes Material oder einen entsprechenden Formkörper die exakte Pyrolyse temperatur für Null-Schwindung gegenüber der Urform im Urform verfahren empirisch ermittelt und der thermische Ausdehnungskoeffi zient (TAK) des Materials mit Nullschwindung ermittelt.

Schritt (B)

Durch Beimengung von Keramikfüllstoffen (wobei weitere Variablen, wie Stoff, Füllungsgrad, Korngrösse und Binderschicht des Füllstoffes zu berücksichtigen, d. h. zunächst konstantzuhalten sind) wird der Ausdehnungskoeffizient an den von Stahl oder Grauguss angepasst.

Erklärung

Entsprechend dem Beispiel in Fig. 2 und Fig. 3 ändert sich der Ausdehnungskoeffizient mit zunehmender Pyrolysetemperatur. Bei Polysiloxan beispielsweise liegt der TAK bis 400°C Pyrolyse temperatur bei ca. 90 × 10^-6 K^-1, während er bei Pyrolyse oberhalb von 800°C unterhalb von 1 × 10^-6 K^-1 liegt. Dies bedeutet, dass der TAK mit zunehmender Pyrolysetemperatur zwischen 200 und 800°C immer kleiner wird. Allerdings ist er bei 650°C immer noch nicht klein genug, um den gleichen Ausdehnungskoeffizienten (TAK) wie Stahl oder Grauguss zu besitzen. Daher muss Schritt (B) vollzogen werden.

Eine theoretische Grobeinschätzung (ohne Berücksichtigung der Korngrösse) kann nach Turner und Kerner vorgenommen werden: Aus der Modellierung des Wärmeausdehnungserhaltens der gefüllten Polymermassen nach Ansätzen von Turner

beziehungsweise unter Berücksichtigung von Schereffekten an den Phasengrenzen nach Kerner

können aus der Kenntnis der beispielsweise in Tabellenform (z. B. im Handbook of Chemistry and Physics) zugänglichen temperatur abhängigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_i der Phasen i (1: Polymer; 2: Füller), der Kompressions- und Schermodulen K_i und G_i sowie der Massen- bzw. Volumtenanteile F_i und V_i sowie der Dichten r_i Erwartungswerte für die mittlere Ausdehnung der Verbundmateria lien abgeleitet werden.

Anschließend oder unabhängig von einer solchen Abschätzung erfolgt eine empirische Ermittlung mittels einer Matrixuntersuchung von verschiedenen Füllstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffi zienten, etwa nach folgendem Beispiel (z. B. mit Zylinderkörpern als Muster):

Beispiel-Matrix zur Ermittlung von Mischungsverhältnissen und Pyrolysetemperaturen, um bestimmte angestrebte thermische Ausdehnungskoeffizienten zu erzielen

Hierdurch wird der Bereich gefunden, in dem die Polymerkeramik- Mischungen jeweils TAK-Werte im Bereich beispielsweise von Grauguss oder von Stahl haben.

Schritt (C)

Anschließend wird die exakte Pyrolysetemperatur für Nullschwindung im Urformverfahren und gleichzeitige Einstellung eines Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich derjenigen des angestrebten Metalls, z. B. von Stahl oder Grauguss, ermittelt: Da im ersten Schritt (B) nur ein Raster aufgebaut wird, kann die hierfür notwendige Pyrolysetemperatur zwischen den Rasterpunkten liegen, so dass Schritt (B) unter Umständen noch einmal wiederholt werden muss in Feinuntersetzung (beispielsweise durch einen engeren Temperaturbereich für die Pyrolyse, beispielsweise bei Pyrolyse temperaturen von 510, 530 und 540°C und Füllstoffmengen von z. B. 50, 55 und 65%). Unter Umständen kann es notwendig sein, diesen Prozess (Schritte (B) und/oder (C)) erneut oder noch mehrmals iterativ zu wiederholen.

Alternative (II) Schritt (A*)

Zunächst werden durch Pyrolyse eines Polymers (Material oder Formteil) bei verschiedenen Pyrolysetemperaturen die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TAK) der jeweils erhältlichen Polymerkeramikmaterialien (oder der daraus bestehenden Formteile) ermittelt und zugleich die Schwindung oder Ausdehnung.

Schritt (B*)

Durch Beimengung von Keramikfüllstoffen (wobei weitere Variablen, wie Stoff, Füllungsgrad, Korngrösse und Binderschicht des Füllstoffes zu berücksichtigen, d. h. zunächst konstantzuhalten sind) wird der Ausdehnungskoeffizient an den von Stahl oder Grauguss angepasst. Hierbei kann eine Matrix analog der oben für Schritt (B) gezeigten verwendet werden, und/oder eine Voraussage geeigneter Bereiche nach den dort für die Grobschätzung genannten Methoden ermittelt werden. Hierdurch wird der Bereich gefunden, in dem die Polymerkeramik-Mischungen jeweils TAK-Werte im Bereich beispielsweise von Grauguss oder von Stahl haben.

Schritt (C*)

Anschließend wird die exakte Pyrolysetemperatur für Null-Schwindung gegenüber der nach der thermischen Vorbehandlung und im Falle von Formkörpern damit verbundenen Formgebung erhaltenen Form (gegenüber der Form im Urformverfahren) ermittelt. Da im ersten Schritt (B*) nur ein Raster aufgebaut wird, kann die hierfür notwendige Pyrolysetemperatur zwischen den Rasterpunkten liegen, so dass Schritt (B*) unter Umständen noch einmal wiederholt werden muss in Feinuntersetzung (beispielsweise durch einen engeren Temperaturbereich für die Pyrolyse, beispielsweise bei Pyrolyse temperaturen von 510, 530 und 540°C und Füllstoffmengen von z. B. 50, 55 und 65%). Unter Umständen kann es notwendig sein, diesen Prozess (B* und/oder C*) erneut oder noch mehrmals iterativ zu wiederholen.

Sobald die oben genannten Parameter, insbesondere Füllstoffgehalt, Gehalt an Polymerem, Temperatur der thermischen Vernetzung und (Partial-)Pyrolysetemperatur, gegebenenfalls Gehalt an weiteren Zusätzen und auch weitere Parameter wie Größe der Körner des Füllstoffes und dergleichen bekannt sind, kann unter nun konstanten Bedingungen in einfacher Weise eine Produktion auch in größerer Stückzahl oder Menge von Formteilen oder erfindungsgemäßen Materialien durchgeführt werden.

Es leuchtet unmittelbar ein, dass bei hohen Pyrolysetemperaturen die Füllstoffe zum Ausgleich der hier nur noch sehr niedrigen Polymer-TAK's (beispielsweise bei Polysiloxanen) höhere Ausdehnungskoeffizienten als Stahl oder Grauguss haben sollten (hier kommen insbesondere Silicate oder CaF₂, insbesondere wie oben erwähnt, in Betracht, die alleine oder zusammen mit anderen Füllstoffmaterialien Einsatz finden können, oder auch MgO), während bei niedrigeren Pyrolysetemperaturen (wo die Polymerkeramik noch einen hohen TAK hat) die Füllstoffe zum Ausgleich der TAK in Richtung von der von Grauguss oder Stahl eine niedrige TAK haben müssen (hier kommen beispielsweise Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid in Betracht).

Die bevorzugten Temperaturen für die Pyrolyse (eigentlich Partial- Pyrolyse) liegen bei 200 bis 800°C, insbesondere bei 400 bis 750°C, vorzugsweise bei 500 bis 750°C, vor allem zwischen ein schließlich 500 und einschließlich 680°C.

Vorzugsweise finden als Füllstoffe körnige Füllstoffe Verwendung, deren bevorzugte Korngröße im Bereich von 1 bis 50 µm liegt.

Weitere Zusätze sind möglich. Erforderlichenfalls müssen diese Komponenten bei den Schritten (A), (B) und/oder (C) bzw. A*, B* und/oder C* mit berücksichtigt werden, so dass beispielsweise mehrdimensionale Matrices unter (B) bzw. B* entstehen, oder sie werden einfach konstant gehalten und nur der Füllstoffanteil variiert (siehe Fig. 3).

Die Erfindung betrifft auch Formteile aus den oben genannten, insbesondere den bevorzugten, Ausgangsmaterialien; die oben genannten, insbesondere bevorzugten, Herstellungsverfahren für die polymerkeramischen Werkstoffe gemäß der Erfindung; ein Verfahren, insbesondere wie oben beschrieben, zur theoretischen oder vorzugsweise empirischen Ermittlung der Pyrolysetemperatur und des Verhältnisses von Polymer zu keramischem Füllstoff, und ggf. des Anteils weiterer Zusätze und/oder weiterer Parameter, wie der Teilchengrösse des verwendeten keramischen Füllstoffes, um einen polymerkeramischen Werkstoff oder ein Formteil gemäß der Erfindung zu erhalten; die Verwendung eines polymerkeramischen Werkstoffes oder insbesondere eines Formteils in Maschinen, Geräten oder Anlagen, in denen sie in (insbesondere festen oder losen, beispielsweise gleitenden) Kontakt mit metallischen Werkstoffen oder Teilen kommen, insbesondere bei Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur bis 400°C, wie bei 25 bis 300°C, vorzugsweise bei 50 bis 300°C; sowie entsprechende Maschinen, Geräte oder Anlagen.

Ganz besonders betrifft die Erfindung Verfahren, Materialien und Formteile gemäß den Beispielen.

Beispiele

Die nachfolgenden Beispiele dienen zur Illustration der Erfindung, ohne dass sie diese einschränken sollen.

Ausführungsbeispiel 1

Zur Herstellung eines Vollzylinders in den Maßen 1,5 × 4 cm, der als Distanzhalter dienen soll, werden das feste Polymethylsiliconhar zes NH 2100 (Chemische Werke Nünchritz) und eine Mischung aus Al₂O₃ (mittlere Korngröße < 3 µm; TAK 8,3 × 10^-6 K^-1) und SiO₂ (mittlere Korngröße 11 µm, Sikron SH 300, Quarzwerke Frechen, TAK 14 × 10^-6 K^-1) im Volumenverhältnis 50 Vol-% Polysiloxanharz, 40 Vol-% Al₂O₃ und 10 Vol.-% SiO₂ in einem 2000 ml fassenden Mahltopf, der mit 0,6 kg Keramik-Mahlkugeln gefüllt ist, 12 Stunden lang mit einer Drehzahl von 30 min^-1 trocken gemischt. Das Mischgut wird in einem beheizbaren Rührbehälter bei 140°C (Schmelzpunkt von NH 2100 ca. 50°C) unter ständigem Rühren in eine niedrig-viskose Suspension überführt. Als Plastifizierhilfe werden 3,5 Masse-% Wachs zugesetzt (Zusammensetzung in Masse-%: 3,45 Masse-% Wachs, 28,85 Masse-% NH 2100 und 67,7 Masse- % Füller).

Mit einer Niederdruckspritzgießanlage werden bei 150°C mit einem Druck von 5 MPa in einem auf 180°C vorgeheizten Zylinderspritzwerk zeug aus Stahl von 25 mm Außendurchmesser die Zylinder hergestellt. Nach Aushärtung unter Beibehaltung des Druckes wird die Form entnommen und in einem Heizschrank zur vollständigen Vernetzung bei 260°C für 12 h ausgelagert. Nach der Entformung wird das Formteil einer Wärmebehandlung in Argon-Atmosphäre unterzogen. Mit Aufheizung auf 580°C mit einer Aufheizrate von 2°C/min und einer Haltezeit von 4 h folgt eine passive Abkühlung.

Die auf diese Weise hergestellten Zylinder besitzen eine Biegefestig keit von 50 MPa und zeigen gegenüber den Dimensionen des warmgepress ten Grundkörpers eine mittlere Längenschwindung in Längsrichtung von < 1% auf. Die lineare Wärmedehnung im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 500°C beträgt 13,6 × 10^-6 K^-1.

Ausführungsbeispiel 2

Zur Herstellung eines Formteils eines Verdichters werden 73,8 Masse-% (entspricht 47,5 Vol-%) Al₂O₃ (mittlere Korngröße < 15 µm; TAK = 8, 3 × 10^-6 K^-1), 4,6 Masse-% MgO (entspricht 3,3 Vol-%; TAK = 14 × 10^-6 K^-1) (mittlere Korngröße < 10 µm), 21,2 Masse-% (entspricht 49,2 Vol-%) Siliconharz (NH 2100) und 0,4 Masse-% Aluminiumacetylacetonat als Katalysator wie in Ausführungsbeispiel 1 gemischt. 520 g des gesiebten (160 µm Maschenweite) Pulvers werden in eine vorgewärmte und mit Graphit beschichtete Pressform aus Stahl eingefüllt. In einer beheizbaren Hydraulikpresse erfolgt das Warmpressen mit einem beweglichen Oberstempel mit einem konstanten Druck von 10 MPa, wohingegen die Temperatur in 10°C-Schritten nach einer Haltezeit von jeweils 30 min von 80°C auf schließlich 130°C erhöht wird. Bei dieser Temperatur wird 24 Stunden gehalten, um die Aushärtung der Pressmasse sicherzustellen.

Nach der Entformung werden durch eine Drehbearbeitung mit Hartmetallwerkzeugen Innenbohrungen eingebracht. Anschließend erfolgt die Wärmebehandlung in einem graphitbeheizten Widerstandsofen in Argon-Atmosphäre, wobei der Grünkörper auf einem porösen Al₂O₃-Träger gelagert ist. Mit einer konstanten Aufheizrate von 2°C/min wird auf 580°C aufgeheizt und 5 h bei dieser Temperatur gehalten. Die Abkühlung erfolgt wiederum mit einer konstanten Kühlrate von 2°C/min.

Die lineare Wärmedehnung des erhaltenen Formkörpers im Temperatur bereich von Raumtemperatur bis 500°C beträgt 11,3 × 10^-6 K^-1. Der Formkörper weist eine hohe Maßgenauigkeit auf: Gegenüber der Ausgangslänge von 115,25 mm (senkrecht zur Pressrichtung) des ausgehärteten Formkörpers ist eine Schwindung von < 50 µm festzustellen, was einer linearen Dimensionsänderung von < 0,05% entspricht. Der Formkörper kann deshalb ohne weitere Oberflächen bearbeitung direkt zum Einbau verwendet werden. Die Biegefestigkeit σ_B liegt bei 51 N/mm², das Material bleibt stabil bis zu einer Temperatur von 405°C.

Ausführungsbeispiel 3

Zur Ermittlung des Wärmeausdehnungsverhaltens werden Probestäbchen mit einem rechteckigen Querschnitt von 5 × 5 mm² und einer Länge von 38 mm durch Warmpressen nach Ausführungsbeispiel 2 hergestellt. Die Zusammensetzungen der in einem Dilatometer untersuchten Probenstäbchen sind in Tabelle 2 dargestellt:

Tabelle 2

Probenzusammensetzungen für die Untersuchung der Wärmedehnung bei näherungsweiser Nullschwindung. Die Angaben erfolgen in Masse-%

In einem Differenzdilatometer (Netzsch Gerätebau) werden die Probestäbchen gegenüber einem Al₂O₃-Standard im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 500°C vermessen. Die Aufheizrate beträgt 5°C/min. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, gelingt es, durch Wärme behandlung im Temperaturbereich von 570 bis 671°C die Wärmedehnung der untersuchten Proben sehr gut an die Werte von ferritischen Stählen (10-14 × 10^-6 K^-1) bzw. Grauguss (9-11 × 10^-6 K^-1) anzugleichen. Die Schwindung liegt unter 0,1%.

Claims

1. Polymerkeramischer Verbundwerkstoff mit einem metallischen Konstruktionswerkstoffen vergleichbarem thermischen Aus dehnungsverhalten und Nullschwindung im Urformverfahren.

2. Polymerkeramischer Werkstoff gemäß Anspruch 1, der erhältlich ist durch Pyrolyse eines Gemisches umfassend ein keramisches Füllmaterial im Anteil von bis 10 bis 80 Volumenprozent und ein Polymeres im Anteil von 20 bis 90 Volumenprozent, wobei eine Wärmebehandlung im Bereich zwischen 200 und 800°C, vorzugsweise im Bereich von 500 bis 750°C, so gewählt wird, dass gegenüber deUrform eine Schwindung von 0,1% oder weniger, vorzugsweise von 0,05% oder weniger, erzielt wird.

3. Polymerkeramischer Werkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, welcher außer dem keramischen Füllmaterial und dem Polymeren noch einen oder mehrere weitere Zusätze bis zu 10 Volumen prozent enthält.

4. Polymerkeramischer Werkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass seine Wärmeausdehnung der von Stahl oder Grauguss gleich ist.

5. Polymerkeramischer Werkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei seiner Herstellung keramisches Füllmaterial mit einer Korngrösse von 1 bis 50 µm verwendet wird.

6. Formteil, bestehend aus einem polymerkeramischen Werkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Einzelteil, bestehend aus einem polykeramischen Werkstoff im Verbund mit einem metallischen Werkstoff.

8. Einzelteil gemäss Anspruch 7, worin der metallische Werkstoff Stahl oder Grauguss ist.

9. Herstellungsverfahren für ein Material, Formteil oder Einzelteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man das Polymermaterial und den keramischen Füllstoff und erforderlichenfalls weitere Materialien miteinander mischt, dann einer Vernetzung unterzieht, im Falle des Formteiles unter Herstellung der entsprechenden Form, und schließlich das resultierende Material oder den resultierenden Grünkörper einer Wärmebehandlung unterzieht, wobei die Gewichtsverhältnisse der verwendeten Komponenten sowie die Art der Wärmebehandlung, insbesondere die Temperatur, auf der Basis theoretisch oder vorzugsweise empirisch ermittelter Werte so gewählt werden, dass das resultierende Material oder Formteil ein thermisches Ausdehnungsverhalten analog dem eines Metalls, insbesondere von Stahl und Grauguss, hat, und die Ausdehnung bzw. im Falle des Formteils die Form und Ausdehnung des fertigen Produktes gleich oder im Falle der linearen Ausdehnung innerhalb von einer engen Toleranz von 0,1% oder weniger, vorzugsweise von 0,05% oder weniger, gleich der ist des Materials nach der Vernetzung.

10. Verfahren zur empirischen Ermittlung der Pyrolysetemperatur und des Verhältnisses von Polymer zu keramischem Füllstoff, und ggf. des Anteils weiterer Zusätze und/oder Parameter, wie der Teilchengrösse des verwendeten keramischen Füllstoffes, um einen polymerkeramischen Werkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ein Formteil gemäß Anspruch 6 oder ein Einzelteil gemäss einem der Ansprüche 7 und 8 zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass die empirische Ermittlung folgende Schritte umfasst:

A) zuerst empirische Ermittlung für ein aus einem Polymeren hergestellten Material oder Formkörper der exakten Pyrolyse temperatur für Null-Schwindung gegenüber der Urform im Urformverfahren und Ermittlung des thermischen Ausdehnungskoef fizienten des so erhaltenen Materials;
B) : durch Beimengung von Keramikfüllstoffen (wobei weitere Variablen zunächst konstantzuhalten sind) Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten an den von Stahl oder Grauguss, erforderlichenfalls unter Erstellung einer Matrix mit verschiedenen Polymer/Füllstoffanteilen und Pyrolysetemperatu ren; und
C) : anschließende Ermittlung der exakten Pyrolysetemperatur für Null-Schwindung im Urformverfahren und gleichzeitige Einstellung eines Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich derjenigen des angestrebten Metalls, z. B. von Stahl oder Grauguss, wobei Schritt (B) unter Umständen noch einmal wiederholt werden muss in Feinuntersetzung und es nötig sein kann, die Schritte (B) und/oder (C) erneut oder noch mehrmals iterativ zu wiederholen.

11. Verfahren zur empirischen Ermittlung der Pyrolysetemperatur und des Verhältnisses von Polymer zu keramischem Füllstoff, und ggf. des Anteils weiterer Zusätze und/oder Parameter, wie der Teilchengrösse des verwendeten keramischen Füllstoffes, um einen polymerkeramischen Werkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, ein Formteil gemäß Anspruch 6 oder ein Einzelteil gemäss einem der Ansprüche 7 und 8 zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass die empirische Ermittlung folgende Schritte umfasst:

1. (A*) Pyrolyse eines Polymeranteils bekannter Zusammensetzung bei verschiedenen Pyrolysetemperaturen zur Ermittlung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des jeweils erhältli chen Polymerkeramikmaterials oder -formteils und Ermittlung der Schwindung oder Ausdehnung des so erhaltenen Materials;
2. (B*) Beimischung von Keramikfüllstoffen (und ggf. weiteren Zusätzen) zur Anpassung des thermischen Ausdehnungs koeffizienten an den von Stahl oder Grauguss erforderlichen falls unter Erstellung einer Matrix mit verschiedenen Polymer/Füllstoffanteilen und Pyrolysetemperaturen; und
3. (C*) Ermittlung der Pyrolysetemperatur mit Nullschwindung; wobei, da im Schritt (B*) nur ein Raster aufgebaut wird, die hierfür notwendige Pyrolysetemperatur zwischen den Raster schritten liegen kann, so dass iterativ der Bereich der Pyrolysetemperatur und der geeigneten Zusammensetzung durch ein- oder mehrmalige Wiederholung der Schritte (B*) und erforderlichenfalls (C*) erhalten werden kann.

12. Verwendung eines polymerkeramischen Werkstoffes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 oder insbesondere eines Formteils gemäß Anspruch 6 oder eines Einzelteils gemäß einem Ansprüche 7 und 8 oder eines Polymerkeramikwerkstoffs oder eines Formteils, welches nach einem der Ansprüche 10 oder 11 erhältlich ist, in Maschinen, Geräten oder Anlagen, in denen sie in (ins besondere festen oder losen, beispielsweise gleitenden) Kontakt mit metallischen Werkstoffen oder Teilen kommen, insbesondere bei Temperaturen im Bereich von -50°C bis 400°C, wie bei Raumtemperatur bis 350°C, vorzugsweise bei 25 bis 300°C.

13. Baugruppen, insbesondere Maschinen, Geräte oder Anlagen umfassend einen polymerkeramischen Wirkstoff gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 oder ein Formteil gemäß Anspruch 6 oder ein Einzelteil gemäß einem der Ansprüche 7 und 8, oder einen Polymerkeramikwerkstoffs oder ein Formteil, welches nach einem der Ansprüche 10 oder 11 erhältlich ist.

14. Polymerkeramischer Werkstoff, Formteil oder Einzelteil, erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11.